[发明专利]一种可精确控温的多能梯级利用热泵低温蒸发浓缩系统

说明书

本发明属于工业工艺和能源与环保领域，特别涉及一种可精确控温的多能梯级利用热泵低温蒸发浓缩系统。根据本发明的可精确控温的多能梯级利用热泵低温蒸发浓缩系统，包括加热罐、蒸汽冷却与凝结系统、热泵循环系统、抽真空与再凝结系统、水循环调温系统、散热系统、物料预热系统。该系统可实现制冷剂侧高效换热，改善物料加热盘管的压力环境，有效解决高温制冷剂加热物料带来的不利问题，提升物料处理质量，同时可降低二次蒸汽过热度、改善初始启动时蒸发器侧换热环境。该系统可精确控制物料沸腾蒸发温度并根据能源品位梯级高效利用，达到节能降碳的目的，是十分有意义的。

技术领域

本发明属于工业工艺和能源与环保领域，特别涉及一种可精确控温的多能梯级利用热泵低温蒸发浓缩系统。

背景技术

能源问题和环境问题在工业生产中已经日益突出，这对节能技术提出了更高的要求。特别是双碳目标的提出，为工业领域的节能降碳提出了新的目标要求。在工业领域中，蒸发浓缩是十分常见的物料热处理工艺，也是耗能和碳排放的重要环节，在该工艺过程中采用节能降碳技术对于能源和环保具有重要意义。

在蒸发浓缩工艺中，经常遇到热敏性物料或特殊废水废液的蒸发浓缩问题，这些物料在温度过高时会出现诸多问题。例如，有效成分会发生变性影响质量，在蒸发壁面粘结或结焦影响传热；二次蒸汽夹带其它杂质成分过多，不满足工艺或环保要求等；这些物料溶液在蒸发浓缩时沸腾蒸发温度是非常重要的调控条件，需要精确稳定的加热温度控制手段，并同时满足高效换热以及节能要求；一些物料通过控温蒸发保留原有溶质性状后还可以达到再生利用的目的，实现绿色环保防止二次污染。同时，一些粘度较高或流动性差的物料无法采用降膜或制循环喷射的增强蒸发措施，也需要考虑间壁式换热时的强化传热和降低物料附着问题，这些问题同样与蒸发温度的控制和传热方式的选择有很大关系。

采用逆卡诺循环热泵真空低温蒸发浓缩系统，物料蒸发操作温度低，更适合于热敏性物料或特殊废水废液的蒸发。采用逆卡诺循环涉及到压缩机、制冷剂、冷凝器、蒸发器等核心部件。在现有的采用逆卡诺循环热泵真空低温蒸发浓缩系统中，物料加热侧(冷凝器侧)一般采用制冷剂直接通入与物料间壁换热的部件中，该方式在技术上存在诸多问题：(1)热泵循环过程的压缩机出口气态制冷剂温度很高且波动大，如果直接通入换热部件，会导致换热部件进口位置蒸发面的物料瞬间超温变性或过度蒸发粘结影响传热。若通过在压缩机出口管路上增设散热部件降温，不仅减少了物料加热的可用热量，增加了降温换热的电量消耗，同时对气态制冷剂的预冷却本身也存在着温度可控性差的问题，导致与物料换热的制冷剂进口温度波动加大，不能精确控温；(2)高温气态制冷剂冷凝前的显热降温过程以及液态制冷剂的显热过冷过程中，采用与加热罐盘管或套筒内壁面换热的方式，传热效果与板式换热器相比均较差，需要增加盘管或套筒壁面传热面积，挤占蒸发罐内物料的容量，也会引起冷凝器侧阻力或流量增大，进一步加大了压缩机的排气温度。(3)未考虑适用于热敏性物料或特殊废水废液的料液侧增强换热的措施或措施效果不佳，导致物料内部蒸汽溢出的热驱动力不足，蒸发传热受阻，使加热温度远高于沸点，蒸汽过热度较高，不仅增加了后段蒸汽冷凝负荷，也会因过度沸腾形成较多泡沫影响蒸汽的干度，造成设备运行能耗增加。(4)由于冷凝放热侧包含了压缩机的产热量，为保持热泵循环的冷热平衡，一般的做法是在节流阀前附设空气冷却散热设备将这部分热量排放掉(使热泵循环变成了制冷循环)，并用以提升节流前的过冷度，这部分热量未加利用成为热损失，降低了系统能效。(5)冷凝器制冷剂侧处于高压，物料侧处于高真空，两者直接间壁换热时换热壁面两侧的压差非常大，对材料和加工的要求很高，增加了成本和制冷剂泄露风险。